（通信与信息系统专业论文）cdma通信系统中的分布式功率控制算法及实现.pdf

硕十学位论文 摘要 本文的研究内容为第三代移动通信系统的关键技术之一：功率控制技术。采 用功率控制技术可以有效地克服“远近效应”和“角效应”的影响，抑制系统干扰，增 加系统容量。功率控制的目标是能够根据移动环境的变化快速调整发射功率的大 小，使得既能够保证一定的通信质量又不对其他用户产生太大干扰。码分多址接 入( c d m a ) 方式以频谱利用率高、抗多径、抗干扰、软容量、低功率、软切换、宏 分集、频率规划简单以及用户接入方便等其它多址技术不可比拟的优越性被认为 是未来移动通信系统的理想接入技术之一。针对于此，本文对c d m a 系统中的功 率控制问题进行了深入地研究，完成的主要工作和创新可概括如下： 首先，依据功率控制准则，对功率控制原理和方法进行了分析探讨，在此基 础上归纳了影响功率控制的主要因素，并且较深入的分析了这些因素对功率控制 影响的技术领域，主要包括控制时延、控制精度、控制方法和控制算法等，为功 率控制算法的设计及其实现提供了依据。， 其次，在分析集中式和分布式功率控制算法原理的基础上，通过对分布式功 率控制迭代方法和控制技术的深入分析，归纳出了分析、构造迭代功率控制算法 的通用框架；在此基础上，分析了几种典型的分布式功率控制算法，包括 d a p ( d i s t r i b u t e da u t o n o m o u sp o w e rc o n t r 0 1 ) 算法、f d p c ( f u l i yd i s t r i b u t e dp o w e r c o n t r 0 1 ) 算法等，并从收敛性和迭代速度上进行比较，指出了这些算法的优缺点； 最后通过设置发射功率的上限和下限，结合d a p 和f d p c 的优点，对传统的分布 式功率控制算法进行了改进，仿真结果表明改进后的算法既有d a p 算法的快速收 敛优点，又具有f d p c 算法的发射功率限定在动态范围之内的优点。 第三，分布式功率控制中信干比和功控步长是影响控制效果的关键因素之一， 因此针对功率控制算法的稳定性和有效性，从容量和误差的角度详细分析了信千 比和步长的选择对功率控制的影响程度，同时分析了系统容量和功率控制稳定性 的关系。 最后，针对分布式功率控制算法迭代速度和收敛性这两个衡量标准，在性能 较好的d a p 算法的基础上，提出了一种新的分布式功率控制算法并解决了该算法 在用户数量增加时不再收敛的问题，运用范数理论证明了算法在均方意义下收敛， 仿真结果表明新算法能更快的收敛到目标值，这为实际通信系统的功率控制提供 了一种新的技术实现途径。 关键词：第三代移动通信；码分多址；功率控制；分布式算法 c d m a 通信系统中的分布式功率控制算法及实现 a b s t r a c t t h i st h e s i sr e s e a r c h e so n eo ft h ek e yt e c h n o l o g yo ft h e3 “g e n e r a t i o nm o b i l e s y s t e m ：p o w e rc o n t r 0 1 p o w e rc o n t r o li s o n eo ft h em o s ti m p o r t a n ta p p r o a c h e st o e f f e c t i v e l yc o m b a tt h en e a r - f a rp r o b l e ma n dc o r n e rp r o b l e m ，t os u p p r e s ss y s t e m i n t e r f e r e n c e sa n dt oi n c r e a s et h es y s t e mc a p a c i t y t h ea i mo fp o w e rc o n t r o li st oa d j u s t t h et r a n s m i tp o w e rf a s t a c c o r d i n gt o m o b i l ee n v i r o n m e n t ，s oi tc a nm a k et h e c o m m u n i c a t i o nq u a l i t yk e e po nac e r t a i nl e v e la n dn o tm a k et o om u c hd i s t u r bo no t h e r u s e r s c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) i so n e o ft h ep r o m i s i n gt e c h n o l o g yf o r f u t u r em o b i l ec o m m u n i c a t i o ns y s t e mb e c a u s eo fi t ss e v e r a lf e a t u r e sw i t hw h i c ho t h e r m u l t i p l ea c c e s st e c h n o l o g yc a nn o tc o m p a r e ：h i g h e re f f i c i e n c yo ff r e q u e n c ya l l o c a t i o n ， r o b u s tm u l t i p a t he f f e c t ，m a c r od i v e r s i t ym i t i g a t i n gi n t e r f e r e n c e ，s o f tc a p a c i t y , l o w p o w e r , s o f th a n d o i f , s i m p l ef r e q u e n c yd e s i g n ，e a s ya c c e s s ，a n ds oo n s ot h i s t h e s i s r e s e a r c h e sp o w e rc o n t r o la l g o r i t h mm a i n l yi nc d m as y s t e m t h em a i nw o r ko ft h i & d i s s e r t a t i o ni sr e c a p i t u l a t e da sf o l l o w s f i r s t l y , w ed i s c u s st h ep r i n c i p l e sa n d m e t h o do fp o w e rc o n t r o la c c o r d i n gt op o w e r c o n t r o lr u l e s ，b a s e do nw h i c ht h ek e yf a c t o r sa r ec o n c l u d e d t h ef a c t o r sa r ea n a l y z e d i nd e t a i l si n c l u d et h ec o n t r o ld e l a y , p r e c i s i o n ，m e t h o da n da l g o r i t h m s i tp r o v i d e s p r i n c i p l e sf o rd e s i g n i n ga n di m p l e m e n t a t i o no fp o w e r c o n t r o la l g o r i t h m s s e c o n d l y , o nt h eb a s eo fa n a l y s i so ft h ec e n t r a l i z e da n dd i s t r i b u t e da l g o r i t h m s ，t h e p r i n c i p l e o fc e n t r a l i z e d a l g o r i t h ma n dd i s t r i b u t e da l g o r i t h m a r ec o n c l u d e da n d a n a l y z e d ，e s p e c i a l l ya n a l y z ei t e r a t i v em e t h o do fd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o ld e e p l y a g e n e r a lf r a m e w o r ko fc o n s t r u c t i n ga n da n a l y z i n gi t e r a t i v ep o w e rc o n t r o la l g o r i t h m s a n dag e n e r a lm e t h o do fc o n v e r g e n c ea n a l y s i sa r ep r o p o s e d ；b a s e do nt h ef r o n tw o r k ， w ea n a l y z ea n dc o m p a r es o m ec l a s s i c a ld i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o l ，i n c l u d i n g d a p ( d i s t r i b u t e da u t o n o m o u sp o w e rc o n t r 0 1 ) a n df d p c ( f u l l yd i s t r i b u t e dp o w e r c o n t r 0 1 ) a l g o r i t h m s ，f r o mt h e i ra s t r i n g e n c ya n di t e r a t i v es p e e d ，a n dp o i n to u tt h e i r l i m i t a t i o n s ；b yi m p r o v e dt h el a u n c h ，w ep r o v et h ec l a s s i c a ld i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r 0 1 e m u l a t i o n si n d i c a t ei th a sf a s tc o n v e r g e n c es p e e do fd a p , a n dt h es a m ea sf d p c ，i t s l a u n c hp o w e rc a n to v e r r u n t h i r d l y , s i ra n dc o n t r o ls t e pa r ed e e pr e l a t e dw i t hp o w e rc o n t r o le f f e c t a i ma t s t a b i l i t ya n dv a l i d i t yo fp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ，w ea n a l y z et h ep o w e rc o n t r o l i n f e c t i o n so fs i ra n dc h o i c eo fc o n t r o ls t e pf r o ms y s t e mc a p a c i t ya n de r r o r s ，a sw e l la s h 硕十学位论文 t h er e l a t i o n sb e t w e e ns y s t e mc a p a c i t ya n dp o w e rc o n t r o ls t a b i l i t y f i n a l l y , a i m a tt h es p e e da n dp e r f o r m a n c eo fd i s t r i b u t e dp o w e rc o n t r o la l g o r i t h m ， b a s e do nb e t t e rp e r f o r m a n c ed a pa l g o r i t h m ，w ep u tf o r w a r dan e wd i s t r i b u t e dp o w e r c o n t r o la l g o r i t h m ，i ts o l v et h ep r o b l e mt h a tt h ea l g o r i t h mi sn o tc o n s t r i n g e n c yw h e n t h en u m b e ro fu s e ri sg r o w a n di th a sb e e np r o v e dt h en e wa l g o r i t h mc o u l d c o n v e r g e n c eu n d e re x p e c t a t i o na v e r a g em e a n i n g s i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v et h a tn e w a l g o r i t h m c o u l dr e a c hf a s t e r s p e e d ，w h i c h o f f e ran e wt e c h n i q u ef o rf a c t c o m m u n i c a t i o ns y s t e m k e yw o r d s ：3 r dg e n e r a t i o n m o b i l e s y s t e m ；c d m a ；p o w e rc o n t r o l ；d i s t r i b u t e d a l g o r i t h m i i l 兰州理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：互瘘 日期： 一7 年中月f f 日 导师签名： 日期； 护7 年弘月7 ，日 硕十学付论文 第1 章绪论 1 1 移动通信的发展现状及趋势 移动通信是指通信的双方或至少其中一方在运动中( 或者临时停留在某一非 预定的位置上) 进行信息传输和交换的通信方式，这包括移动体( 车辆、船舶、 飞机或行人) 和移动体之间的通信，移动体和固定点( 固定无线电台或有线用户) 之间的通信。它被认为是实现通信理想目标的重要手段。所谓通信理想目标就是 个人通信的实现，即无论何时何地都能及时可靠地实现与任何人的任何种类的信 息交换。 在过去的十几年里，移动通信技术获得了很大的进步。如果说无线通信的历史 是频率使用效率提高的历史，则移动通信的历史就是频率使用效率提高和用户活 动范围扩大的历史。众多复杂的技术发展归根结底，就是为了如何更充分地使用 有限的、不能再生的频率资源以及实现更高密度的全球活动通信。从单基站大功 率系统到多基站小功率系统，从单一覆盖模式到蜂窝和微蜂窝覆盖模式，从小区 域覆盖到大区域覆盖并实现了国内甚至国际漫游，从纯语音系统到包括低速数据 传输的综合传输系统，从模拟移动通信系统到数字移动通信系统。这些变化，使 得移动通信技术在传输能力和传输质量等方面获得了巨大的进步。 移动通信由于其相关技术的保障，正经历着有史以来发展最快的时期位1 。第 一代移动通信系统产生于二十世纪八十年代，早期的美国贝尔实验室提出了蜂窝 组网理论，1 9 7 9 年美国在芝加哥开始进行a m p s ( a d v a n c e dm o b i l ep h o n es y s t e m ) 蜂窝系统的试验，并于1 9 8 3 年正式开通业务。该系统属于第一代模拟式的蜂窝移 动通信系统，使用频分多址( f d m a ) 接入技术，模拟信号调制和解调技术，实现了 语音业务的传输，它使得移动通信产业进入了一个崭新的时代。第一代移动通信 系统在覆盖、容量、通信质量和终端移动性上都有不少缺陷，如频谱利用率低， 移动设备复杂，费用较贵，业务种类受限以及通话易被窃听等，而主要问题是容 量已不能满足日益增长的移动用户数量。 第二代移动通信系统产生于二十世纪九十年代，它是为了解决第一代移动通 信系统诸多问题的具有现代网络特征的第一个全球数字蜂窝系统。以g s m 和 c d m a 为代表，第二代移动通信系统采用时分多址( t d m a ) 或码分多址( c d m a ) 接入技术，数字调制技术等，很快成为市场上的主导产品，它提供了比第一代更 高的频谱效率、更好的数据业务以及比第一代系统更先进的漫游。第二代业务种 类主要限于话音和低速率数据，不能满足未来用户对多媒体业务和i p 业务的需求， 于是对更高比特率数据业务和更好的频谱利用率的迫切要求，是推动第三代移动 无线系统发展的主要动力。 第三代移动通信系统的研究自1 9 9 7 年以来被广泛关注，并从标准制定阶段逐 步走向使用系统开发阶段。第三代移动通信系统简称3 g ，又被国际电联 ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n 。i t u ) 称为i m t - 2 0 0 0 ( i n t e r n a t i o n a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o ni nt h ey e a r2 0 0 0 ) ，意指在2 0 0 0 年开始商用并工作再2 0 0 0 m h z 频段上的国际移动通信系统，在欧洲被称为通用移动通信系统( u n i v e r s a lm o b i l e t e l e c o m m u n i c a t i o n ss y s t e m 。u m t s ) 。第三代移动通信系统的核心技术是c d m a 技 术，其设计目标是全球范围的个人通信、无缝漫游和多媒体通信，提供比第二代 系统更大的系统容量、更好的通信质量，实现任何人在任何地点、任何时间与任 何人都能便利的通信，支持多速率、多业务、宽频带的系统，满足移动性、高比 特率、可变业务的需求。目前第三代移动通信系统仍处于不断补充和完善的过程 中。 后3 g 和第四代移动通信系统的研究也已经开始，其系统框架也初见端倪。第 四代移动通信的概念可称为宽带( b r o a d b a n d ) 接入和分布网络，具有非对称的 超过2 m b p s 的数据传输能力。可以支持的数据业务的数据速率最高达到2 0 m b p s 。 可以预见，在市场需求的不断刺激和新技术的不断涌现下，移动通信系统将会有 更加迅猛的发展。 1 2 第三代移动通信系统的特点 蜂窝移动通信作为当前通信中发展最快的领域之一，得到了广泛的研究与关 注，因为它为人们提供了一个“任何时间、任何地点、任何人”的个人通信系统， 具有灵活、方便、快捷的优点。 1 2 1 第三代移动通信系统的主要特点 第三代移动通信系统能够提供协议规定的高速数据业务，其主要特点有珏1 ： 提供全球无缝覆盖和漫游。用户不再被限制于一个地区和一个网络，而能 在整个系统和全球漫游，这意味着真正地实现了随时随地的个人通信。 提供高质量的多媒体业务，包括高质量的话音、可变速率的数据、高分辨 率的图像等多种业务。 适应多种业务环境，采用多层小区结构，即微微蜂窝、微蜂窝和宏蜂窝， 将地面移动通信系统和卫星移动通信系统结合在一起。 提供足够的系统容量、强大的多种用户管理能力、高保密性能和服务质量。 便于过渡、演进。由于第三代移动通信引入时，第二代网络已具有相当规 模，所以第三代网络应能在第二代网络的基础上逐渐灵活演进而成，并应 与固定网兼容。 为实现上述目标，1 m t - 2 0 0 0 对无线传输技术提出了以下要求： 高速率的数据传输以支持多媒体业务：室内环境至少2 m b s ，室外步行环 2 硕士学位论文 境至少3 8 4 k b s ，室外车辆环境至少1 4 4 k b s 。 传输速率按需分配。 上下行链路能适应不对称业务的需求。 简单的小区结构和易于管理的信道结构。灵活的频率和无线资源的管理。 1 2 2 第三代移动通信的核心技术c d m a 技术 1 、c d m a 的基本原理 c d m a ( c o d e d i v i s i o nm u l t i p l e a c c e s s ，码分多址) 技术，是近年来在数字移 动通信发展中出现的一种先进的无线扩频通信技术。扩频通信是一种信息传输方 式，在发端采用扩频码调制，使信号所占的频带宽度远大于所传信息必须的带宽， 在收端采用相同的扩频码进行相关解调来解扩以恢复所传信息数据。 c d m a 采用的是直接序列扩频( d s c d m a ) 方式，即直接用高速率的扩频码 序列在发端扩展信号的频谱。而在接收端用相同的扩频码序列进行解扩，把展宽 的扩频信号还原成原始信息。同调频、调幅技术一样，直接序列扩频是一种调制 技术，它采用一个码序列( 高速) 去调制原始数据信息( 低速) ，这样调制后的信 息( 扩频信号) 就能以高速传输。 码分多址系统利用码序列正交往和准正交性来区分不同用户，它为每个用户 分配了各自特定的地址码( 扩频码) ，利用公共信道来传输信息。在同频、同时的 条件下，各个接收机根据不同信号码型之间的差异分离出需要的信号。地址码相 互具有准正交性，在频率、时间和空间上都可能重叠，即每一个用户有自己的地 址码，地址码之间是相互独立的，用于区别每一个用户。 2 、c d m a 系统的分类 已提出的多种c d m a 技术方案中，最具有代表性的是北美的c d m a 2 0 0 0 、欧 洲与日本的w c d m a 及我国的t d s c d m a 三大系统。 ( 1 ) c d m a 2 0 0 0 c d m a 2 0 0 0 是由窄带c d m a 发展而来的宽带技术，由美国主推，提出了从 i s 9 5 ( 2 g ) - - c d m a 2 0 0 0 1 x - - c d m a 2 0 0 0 3 x ( 3 g ) 的演进策略。 c d m a 2 0 0 0 技术在i s 9 5 技术的基础上采用了系列新技术，大大提高了系 统的性能，可以支持各种不同的数据传输速率( 从9 6 k b s 到2 m b s ) ，业务包括电 路交换和分组交换业务，所采用的新技术包括反向相干解调( 利用反向导频) 、前 向快速功率控制、t u r b o 码、发射分集等。c d m a 2 0 0 0 的网络也将向全i p 方向发 展。 ( 2 ) w c d m a w c d m a 是基于g s m 的3 g 技术规范，由欧洲的宽带c d m a 技术提出，它 与日本提出的宽带c d m a 技术基本相同，目前正在进一步融合。其演进策略是 g s m ( 2 g ) 一g p r s e d g e w c d m a ( 3 g ) 。 3 w c d m a 与c d m a 2 0 0 0 这两类宽带c d m a 技术都属于f d d ( 频分双工) 制 式，大多数关键技术非常接近，性能上也基本没有太大差别。 ( 3 ) t d s c d m a t d s c d m a 是由我国提出的3 g 标准，已得到国际电联( i t u ) 认可，它利用 现有g s m 网络，不经过2 5 代的中间环节，由g s m 直接向t d s c d m a 过渡。它 采用t d d ( 时分双工) 制式，比起f d d 来说更适用于上下行不对称的业务环境， 是多时隙的t d m a 与直扩c d m a 、同步c d m a 技术合成的新技术，同时采用了 先进的智能天线技术，充分利用了t d d 上下行链路在同一频率上工作的优势，这 样可大大增加系统容量、降低发射功率、更好地克服无线传播中遇到的多径衰落 问题；另外在t d s c d m a 中还用到了联合检测、软件无线电、接力切换等技术， 这使得系统在性能上有了较大程度的提高，在硬件制造方面则降低了成本。 1 3 第三代移动通信系统的关键技术 第三代移动通信系统采用了以下的一些关键技术，使得通信系统服务质量提 高了一定的程度0 3 。 1 、功率控制技术 第三代移动通信系统的核心技术是c d m a 技术，功率控制就是为了克服 c d m a 系统中的远近效应，实现最优通信质量而采取的一项技术，因此，在c d m a 系统中，功率控制被认为是所有关键技术的核心。 在c d m a 蜂窝系统中，不同用户发射的信号由于距基站的距离不同，到达时 的功率也不同，这使得距离近的信号功率大，距离远的功率小，相互形成干扰的 现象，这种现象称为“远近效应”。为了解决远近效应问题，同时避免对其他用户 造成过大的干扰，必须进行严格的功率控制。c d m a 功率控制调整各个用户发射 机的功率，使其到达基站接收机的平均功率相等，使系统既能维护高质量通信， 又不对其他用户产生干扰，提高系统容量。 2 ，软切换技术 软切换技术是f d m a 和t d m a 系统所不具备的技术，c d m a 系统通过软切 换技术可以有效地提高切换的可靠性，大大减少切换过程中掉话的概率。 传统切换的基本原理是，当移动台从一个基站的覆盖范围移动到另外一个基 站的覆盖范围时，通过切换能使移动台保持通信的不中断( 移动台处于非通话状 态的越区不需要进行切换) 。在一次呼叫的持续时间内，基站定期地对移动台的 信号进行监测，当发现到异常情况时，基站立即向移动交换中心( m s c ) 或者基 站控制器( b s c ) 报告。接收到报警后，m s c 或b s c 将会搜索一个新的小区或新 的信道。当搜索到合适的小区或者信道时，m s c 或b s c 就会触发一个切换，否则 移动台会继续利用原来的信道通信。如果切换完成，移动台原来使用的信道就会 被释放掉。 4 硕十学何论文 软切换采用先通后断的方式，当移动台开始与目标基站进行通信时并不立即 切断与原基站的通信，而是先与新的基站连通再与原基站切断联系，切换过程中 移动台可能同时占用两条或两条以上的信道。软切换是由m s c 完成的，当移动台 处于切换状态时，会有两个甚至更多的基站对它进行监测，来自不同基站的信号 被送至m s c 的选择器，选择器将逐帧比较来自各个基站的有关这个移动台的信号 质量报告，并选用最好的一路，进行话音的编解码，是一个“建立一比较一释放” 的过程。软切换允许移动台在通话过程中同时与多个基站保持通信，所以，软切 换提供了宏分集的作用，提高了接收信号的质量。同时，软切换可以是同一m s c 下的不同基站或不同m s c 下的不同基站之间发生的切换。 更软切换是指在c d m a 系统中，移动台在扇区化小区的同一小区的不同扇区 之间进行的软切换。这种切换是由b s c 完成的，并不通知m s c 。 在f d m a 和t d m a 系统中，所有的切换都是硬切换。硬切换采用先断后通的 方式，在这种切换过程中，移动台先中断与原基站的通信，再与目标基站取得联 系，是一个“释放一建立”的过程。在整个切换过程中移动台只能使用一个无线信 道，不同频率之间的切换只能采用硬切换。然而，在c d m a 系统中若出现以下情 况时，可能发生硬切换：。* 不同频率间的切换； 不同运营商的基站或扇区间的切换； 不同系统间的切换( 例如从c d m a 切换到g s m ，或从a m p s 切换到c d m a 等) ； 不同帧偏置的信道之间的切换。 3 、高效编译码技术 第三代移动通信系统的另一个核心技术是信道编码，其编码要求是选择效率 高、编码增益高、试验性能好、译码算法较简单、存储量较小、溢出概率小，对 同步不要求过高，适于衰落信道传送、易于实现。在第三代移动通信系统的主要 提案中( 包括w c d m a 和c d m a 2 0 0 0 等) ，除采用与i s 9 5 a 系统相似的卷积编码 和交织技术之外，还建议采用t u r b o 编码技术和r s 卷积级连码技术。 4 、r a k e 接收技术 分集技术是一项典型的抗衰落技术。移动通信信道是一种多径衰落信道，分 集技术可以大大提高多径衰落信道下传输的可靠性。按照接收信号样值的结构与 统计特性，分集技术可分为空间、频率、时间三大基本类型。c d m a 系统综合利 用多种分集技术来减弱快衰落对信号的影响，从而获得高质量的通信性能。减弱 慢衰落采用宏分集( 空间分集) ，即用几付独立天线或不同基站分别发射信号，保 证各信号之间的衰落独立，通常采用选择式合并方式，选择较强的一个信号作为 接收机输出。减弱瑞利衰落采取了多种分集技术，包括频率分集、时间分集和多 5 径分集( 或空分集) ，c d m a 系统采用r a k e 接收机进行多径分集，它能有效地克 服快衰落的问题。 r a k e 接收不同于传统的空间、频率与时间分集技术，它是一种典型的利用信 号统计与信号处理技术将分集的作用隐含在被传输的信号之中的技术，因此又称 其为隐分集或带内分集。r a k e 接收机利用多个并行相关器检测多径信号，分别接 收每一路的信号进行解调，按照一定的准则合成叠加输出，达到增强接收效果的 目的。其特别之处在于，一般的分集技术把多径信号作为干扰来处理，而r a k e 接 收技术则变害为利，利用多径现象来增强信号。 5 、智能天线技术 用智能天线对接收信号进行空域处理可减小多址干扰对信号的影响，采用具 有一定方向性的扇形天线可以去除某一角度内的其他干扰，提高系统性能。以前 由于智能天线的高度复杂性和能量消耗较大，对它的研究大都局限于在基站中的 应用，直至近几年，智能天线技术才被引入到移动台中。智能天线有望显著地提 高第三代移动台的性能，因此也成为第三代移动通信系统的研究热点之一。我国 提出的具有自主知识产权的t d s c d m a 第三代移动通信系统，也采用了先进的智 能天线技术。 、 不同于传统的时分多址、频分多址或码分多址方式，智能天线引入了第四维 多址方式：空分多址( s d m a ) 方式。在相同时隙、相同频率或相同地址码情况下， 用户仍可根据信号不同的空间传播路径而区分。智能天线相当于空时滤波器，在 多个指向不同用户的并行天线波束控制下，可以显著降低用户信号彼此问干扰。 具体而言，智能天线将在以下方面提高未来移动通信系统的性能”1 ： 扩大系统的覆盖区域。 提高系统容量。 提高频谱利用效率。 降低基站发射功率，节省系统成本，减少信号问干扰与电磁环境污染。 当然智能天线技术也存在一些局限性，例如由于存在多径效应，每个天线均 需一个r a k e 接收机，从而使基带处理单元复杂度明显提高。 6 、多用户检测技术 多用户检测技术是专门针对c d m a 系统中传统的信号检测技术的缺点而提出 的，能够有效消除多址干扰和缓解远近效应问题。 在实际的c d m a 系统的多径衰落环境下，各用户地址码的不完全正交导致各 信号之间存在一定相关性，这是多址干扰( m u l t i p l e a c c e s s i n t e r f e r e n c e ，简称m a i ) 存在的原因，也是限制系统容量提高的原因之一。个别用户产生的m a i 虽然很小， 可是随着用户数的增加或信号功率的增大，m a l 就成为c d m a 通信系统的一个主 要干扰。传统的检测技术完全按照经典直接序列扩频理论对每个用户的信号分别 6 硕十学t 亏论文 进行扩频码匹配处理，因而抗m a i 能力较弱。多用户检测技术是在传统检测技术 的基础上，充分利用造成m a i 的所有用户信号信息，对单个用户进行检测，即通 过检测各个用户扩频码之间的非正交性，用算法来消除用户之间的互干扰，从而 具有优良的抗干扰能力，解决了远近效应问题，降低了系统对功率控制精度的要求， 因此可以更加有效地利用上行链路的频谱资源，显著提高系统容量。 从理论上讲，使用多用户检测技术能够在极大程度上改善系统容量。但一个较 为困难的问题是，对于基站接收端的等效干扰用户等于正在通话的移动用户数乘 以基站端可观测到的多径数，这意味着在实际系统中等效干扰用户数将多达数百 个，这样，即使采用与干扰用户数成线性关系的多用户，抵消算法仍使得其硬件实 现显得过于复杂。如何把多用户干扰抵消算法的复杂度降低到可接受的程度是多 用户检测技术能否实用的关键。 1 4 本文的研究意义和内容 移动通信的电波传输环境十分恶劣。首先是大量的发射波、折射波和散射波， 当移动台高速运动时，这些多径信号相互抵消或叠加造成衰落，使得信号强度和 相位迅速变化，而变化速率与运动速度和工作频率有关，信号电平起伏可达4 0 d b 以上；其次，移动台还经常运动于建筑物和障碍物之间，局部场强中值( 信号强度 大于它的概率为5 0 的场强值) 随地形和环境变动；再次，电波在空间传播时，能 量也会随着距离的增大而不断衰减，其衰减速率不仅与频率有关，还与发射机、 接收机天线高度以及环境有关；另外，如果系统功率的动态范围过大，则会对发 射机的精度提出较高要求，并缩短移动台的电池寿命，不利于小型化。这都要求 调节用户的发射功率，使其到达接收机的信号保持在一定的功率门限上。 对于c d m a 系统来说，功率控制有着更加重要的意义。它可以有效的克服远 近效应、抑制系统的干扰，并增加系统的容量。用户的业务质量由接收到的信噪 比决定。对于给定的多址干扰，用户总能通过增加自己的发射功率来达到所需的 信干比。但这同时对其他用户产生更高的干扰，而其他用户为保持原有的信干比 也会增加自己的功率。从而可能导致功率的循环增加，直至一些用户或所有用户 达到他们的饱和功率值，却不能满足各自的服务质量，由此造成功率的竞争和攀 比。由此可见功率也是一种系统资源。合理有效的功率控制和分配，将会提高系 统的性能和增加系统的容量。传统的窄带c d m a 系统主要以语音业务为主，因此 功率控制的目的是使接收到的用户功率相同。但是第三代移动通信系统中有多种 业务，而每种业务的传输速率和服务质量要求也互不相同。 本论文主要围绕c d m a 系统的功率控制算法进行研究，本文在前人的研究基 础上提出了一种分布式功率控制算法，应用该算法可以保证各用户的发射功率在 较少的调整周期内迅速达到目标信干比门限值，表现出了良好的收敛性。 本文的结构如下： 7 第一章绪论，主要介绍移动通信的发展趋势和特点，分析了第三代移动通信 系统的关键技术，提出本论文的研究目的。 第二章主要介绍了功率控制的目的和原理，以及功率控制的准则和方法，在 对功率控制原理和方法进行了深入分析和探讨的基础上，归类给出了 移动通信条件和功率控制结果的关系。 第三章功率控制算法，给出了典型功率控制算法的分析结果，并给出了主要 研究的分布式功率控制算法框架。在讨论了几种比较典型的分布式功 率控制算法后，通过实验分析了这几种算法的优缺点。讨论了第三代 移动通信系统中功率控制技术的概况和进行功率控制时会遇到的一 些关键性问题，包括功率控制稳定性和系统容量之间的关系。 第四章在d a p 算法的基础上提出了一种新的分布式功率控制算法，并证明 了该算法的收敛性。实验结果表明，算法的收敛性和收敛速度都能达 到比较理想的效果，并且具备分布式算法的基本优越性，如算法简单， 所需信息量较少等。 第五章结论，给本文结论与以后的研究展望。 8 硕十学位论文 第2 章移动通信系功率控制基本理论 2 1 功率控制的目的及意义 2 1 1 移动通信信号传播特点 移动通信信道是无线信道的一个子类，具有所有无线信道的特点，而且还具 有通信用户随机移动性带来的一些特点。 移动通信信道具有三个主要特点：( 1 ) 传播的开放性，一切无线信道都是基于 电磁波在空间传播来实现信息传输的；( 2 ) 接收地理环境的复杂性与多样性，一般 可将地理环境划分为三类典型区域，即高楼林立的城市中心繁华区、以一般性建 筑物为主的近郊小城镇区和以山丘，湖泊、平原为主的农村及远郊区；( 3 ) 通信用 户的随机移动性，包括：慢速步行时的通信；高速车载时的不间断通信。 这些特点使得电磁波主要以直射波、多径反射波、绕射波和散射波的方式传 播，图2 1 为一个典型的无线传播途径。 近处散射物 移动台 图2 1 典型的无线信号传播途径 2 1 2 移动通信信道衰落特点 移动通信电波传播的特点，对接收的信号造成不同的影响，直接影响到通信 的可靠性，是无线通信设计中主要考虑的重要问题之一。 移动通信信道的三类损耗( 衰耗) ： ( 1 ) 路径传播损耗：指电波在空间传播所产生的损耗， 它反映了传播在宏 观大范围( 即公里量级) 的空间距离上的接收信号电平平均值的变化趋势。 ( 2 ) 慢衰落损耗：它是由于在电波传输路径上受到建筑物及山丘等的阻挡所 产生的阴影效应而产生的损耗，因此慢衰落也成阴影衰落，它反映了中等范围内 9 数百波长量级接收电平的均值变化而产生的损耗。 慢衰落信号变化幅度取决于障碍物状况、工作频率、变化速率、障碍物和移 动台移动速度。慢衰落信号强度近似服从对数正态分布： p ( p ) 一去一p 。扣- _ ”2 ( 2 1 ) 吖埘 式中口为信号幅度的均值。 ( 3 ) 快衰落损耗：它是由多径传播和多普勒频移引起的衰落，接收信号强度 出现快速、大幅度的周期性变化。它反映微观小范围内数十波长量级接收电平的 均值变化而产生的损耗。在没有直达路径，当多径数较多时，快衰落为多径快衰 落。统计表明，在障碍物均匀分布的城市街道或森林中，信号包络起伏近似于瑞 利( r a y l c i g h ) 分布，故多径快衰落又称为瑞利衰落，分布函数为： p ( 芦) ；e f 2 7 。2 ，0 量p 0 0 ( 2 2 ) 口 r 式中信号幅度的均值为万一1 辟盯，方差为口2 。 快衰落的衰落幅度变化与地形、障碍物等有关，可达1 0 d b 一3 0 d b ，衰落速度 与移动台速度有关。如车速达到4 0 k m h 电波频率为8 0 0 m h z 时，衰落速度达每秒 3 0 - 4 0 次。 在存在直达路径的情况下( 在各多径信号中有一路信号强度明显高于其他各 路) ，快衰落服从莱斯( r i c i a n ) 分布： p ( p ) 劳e x p ( 一等) ，o ( 笋，o s 枷 ( 2 3 ) 式中t o ( x ) 为第一类修正贝塞尔函数，当以- 0 时，既不存在直达路径时，此式表 示瑞利分布。 仔细划分快衰落又可分为空间选择性衰落、频率选择性衰落与时间选择性衰 落。所谓选择性是指在不同的空间，不同的频率和不同的时间其衰落特性是不一 样的0 1 。 2 1 3 功率控制的目的及意义 第三代移动通信系统的目标是提供更大的系统容量和更好的通信质量。然而 c d m a 系统是一个容量受干扰限制的干扰受限系统，干扰的大小直接影响到系统 容量。c d m a 蜂窝通信系统的同一小区内所有用户使用相同的频段和时隙，用户 之间仅靠扩频码的( 准) 正交特性相互区分。然而由于无线信道的多径、延时等 原因使得各个用户信号问的互相关特性不理想，其他用户的信号对当前用户信号 产生干扰，即多址干扰( m a l ) ，这样，当小区中用户个数增加或者其他用户功率 提升时都会增加对当前用户的干扰，导致当前用户的接收信号s i r ( 信号干扰比) 1 0 硕七学位论文 下降，当这类干扰大到一定程度时，当l j i 用户就不能正常通信了。 除了m a i 的影响外，在上行链路中，如果保持小区内所有移动台的发射功率 相同，由于小区内移动台用户的随机移动，使得移动台与基站间的距离是不同的， 离基站近的移动台的信号强，离基站远的移动台信号弱。将会产生以强压弱的现 象，而设备的非线性就会更加严重化这种现象，这就是“远近效应”。在下行链路 中，当移动台位于小区边界时，收到所属基站的有用信号很低，同时还会收到相 邻小区基站的干扰，这就是“角效应”。除此之外，电波传输中由于物体的阻挡， 形成阴影效应而产生慢衰落。这些现象将会导致系统容量的下降和实际通信服务 范围的缩小等。 解决这些问题的主要途径是功率控制技术。功率控制技术调整每个用户的发 射功率，补偿信道衰落、消除远近效应，使各个用户维持在能保持正常通信的最 低标准上，最大地减少对其他用户的干扰，提高系统容量，同时延长手机的待机 时间。它能在满足每一个用户通信质量的前提下，最小化每一个用户的发射功率， 使全网的发射功率处于一个有解的最小点或准最小点，从而降低系统内的干扰水 平。对于前向链路来说，就是调整基站发射功率；对于反向链路来说，是调整移 动台发射功率。此外，c d m a 在一般情况下由于传输状况良好，发射功率较低； 但是在遇到衰落时会通过功率控制自动提高发射功率，以抵抗衰落，从而提高衰 落信道下c d m a 系统的性能。理想的功率控制就可以有效地补偿衰落的影响，并 将衰落信道在接收端作为加性高斯白噪声信道来处理。因此，现代功率控制一般 都采用较高的控制速度和较低的控制延时，从而扩大功率控制对干扰、衰落谱的 补偿范围。 功率控制技术在第一个投入商用的i s 9 5 的c